史诗级详解面试中JVM的垃圾回收

Posted 2023-04-04 不一样的花朵

史诗级详解JVM面试中的垃圾回收

• 1.1 堆为什么要分成年轻代和老年代？
• 1.2 JVM堆的年轻代为什么要有两个Survivor区？
• 1.3Eden区与Survivor区的空间大小比值为什么默认是8:1:1？
• 1.4 请介绍下JVM中的垃圾回收算法？
• • 1.4.1 标记-清除算法
  • 1.4.2 复制算法
  • 1.4.3 标记-整理算法
  • 1.4.4 分代收集算法
• 1.5 请介绍一下JVM垃圾收集器？
• • 1.5.1 Serial收集器
  • 1.5.2 ParNew收集器
  • 1.5.3 Parallel Scavenge收集器
  • 1.5.4 Serial Old收集器
  • 1.5.5 Parallel Old收集器
  • 1.5.6 CMS收集器
  • 1.5.7 G1收集器

面试常见之JVM垃圾回收机制GC详解

作为 Java 语言最重要的特性之一的自动垃圾回收机制，也是基于 JVM 实现的。那么，自动垃圾回收机制到底是如何实现的呢？

1.GC是干啥的？

进行资源的回收

1.1.对于 C/C++ 而言

对于C/C++语言是没有GC机制的，对于内存的管理会比较麻烦，需要手动在合适的时机进行释放，而且一旦内存申请了没有释放，当我们后面程序再次申请内存的时候，发现内存已经被占用了，那么就会导致“内存泄漏”问题（非常严重），既然GC这么好

那么问题来了~
①. 既然GC这么好，为什么C/C++使用GC呢?
俗话说的好：“世界上没有免费的午餐”，是需要成本滴~

• 首先资源付出的成本（CPU,内存……）支持垃圾回收机制能进行工作
• GC对于内存的回收即时性没有那么高（虽然能在一定的时间内进行回收，但也不是不用了立刻就回收，有一定的延迟）
• GC中存在一个致命的问题：STW问题(stop the word)

什么是STW问题？
就是当GC工作的时候，正常的业务代码可能无法执行，必须要等到GC工作完毕。对于服务器来讲，一旦服务器出发了GC，就可能导致正常代码无法执行（会出现卡顿），因为服务器可能会不断接收到请求，那么就会造成请求的积压，可能导致请求到一半就停止，或者是刚刚接收到请求而无法处理请求，直接造成用户体验的影响。

②. C/C++不是调用free/dalete函数就释放了吗？为什么还会出现“内存泄漏“问题？
答：上面提到需要在合适的时机进行释放，虽然内存内存的申请时机一般都是明确的，但是这个合适的释放时机是比较模糊的

1.2.对于 Java 而言

有GC机制，只管申请内存，无需关注内存的释放，而且可以很大程度上规避内存泄漏的问题（也不是完全没有）

2.GC要回收哪些内存?

1.PC程序计数器 / 栈 ：都不要 GC 回收，因为他的释放时机很明确，随着线程的创建而申请内存，随着线程的销毁而释放。

2.常量池 / 方法区 ：GC也不需要太关心，因为它占用的空间比较小，数据也很少会失去作用，如果对其进行GC，回收内存的性价比也不高（比如：打扫一个干净的小房间，即便你在怎么去打扫，也扫不出多少灰尘）

3.堆：GC主要回收的区域，堆的内存区域也很大，申请又很频繁（因为每次new对象都会在堆上申请内存）

2.1.堆上的内存分布

所谓的 “回收内存” => “回收对象”
GC工作的本质其实就是回收对象，以对象为基本单位（更方便），把不需要使用的对象找出来，回收掉即可，回收对象就会释放内存。

3.如何标记垃圾？

所有的垃圾回收大体都是遵循以下两个步骤：

1.标记：找出哪个对象是垃圾
2.回收：把标记的垃圾对象释放

标记的方式有很多种，这里讲述两种：引用计数 和 可达性分析
一般来说像python PHP 语言会用到”引用计数“，而Java一般使用第二种”可达性分析“。

3.1.引用计数

引用 的方法很简单，判定的效率也比较高，大部分情况都是一个不错的算法，即给对象增加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就+1；当引用失效时，就-1；任何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的，即对象已”死“

引用计数的缺陷——”循环引用“

主流的JVM中没有选用引用计数法来管理内存，主要是因为引用计数法无法解决对象的循环引用问题
如：

class A{
    A ret = null;
}
public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        A a1 = new A();
        A a2 = new A();
        a1.ret = a2;
        a2.ret = a1;
    }
}

分析：

3.2.可达性分析

Java不采用”引用计数法"来判断对象是否已”死“，而是采用"可达性分析"来判断对象是否存活。
算法核心：通过一些列成为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称之为“引用链”，当一个对象到GC Roots没有任何的引用链相连时（从GC Roots到这个对象不可达），证明此对象时不可用的。

上图如果看不太懂，可以看下图，如：

**总结：**可达性分析，就是从GC Roots开始进行遍历，看到哪些对象是能够被访问到的（某个对象在遍历过程中只要被访问一次，也可以被访问多次），那么剩下的就是垃圾。实际对象之间的相互引用关系不是简单的树形结构，而是“图”结构

可达性分析可视为GC Roots的对象包括以下几种

• 栈上的局部变量表中的引用（每个程序有多个线程，每个线程有自己的栈，每个栈又有很多层栈帧，每层栈帧又有很多局部变量，这些内容试试GC Roots的一部分）
• 常量池中引用指向的对象
• 方法区中静态引用指向的对象

Java对引用的概念做了扩充，将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)和虚引用(Phantom Reference)四种，这四种引用的强度依次递减。

• 强引用：既能用于找到对象，也能决定对象的生死
• 软引用：能用于找到对象，能够一定程度上的决定对象的生死（能保对象一时，内存如果充裕，不会回收软引用指向的对象，但是如果内存紧缺了，就会回收该对象）
• 弱引用：只能用于找对象，不能决定对象的生死
• 虚引用：不能用于找对象，也不能够决定对象的生死，只能在对象消亡之前，收到通知做一些善后工作

3.3.回收方法区垃圾

目前很多框架大量使用到反射，方法去会被加载很多类，那么此时也是需要回收的

方法区(永久代)的垃圾回收主要内容：废弃常量和无用的类（类对象（类的卸载）=>（和类的加载对应））

判定一个类是否是"无用类"则相对复杂很多。类需要同时满足下面三个条件才会被算是"无用的类" :

• 1.该类的所有实例已经被报备回收了
• 2.加载该类的类加载器也已经被回收了
• 3.该类的类对象没有在任何地方使用（其他的代码也没有在通过反射来使用这个类对象）

JVM可以对同时满足上述3个条件的无用类进行回收，也仅仅是"可以"而不是必然。在大量使用反射、动
态代理等场景都需要JVM具备类卸载的功能来防止永久代的溢出。

讲完了垃圾是如何标记的，下面我们谈谈垃圾又是如何回收的呢

4.如何回收垃圾

4.1.标记 - 清除算法

将需要回收的对象全部标记出来，标记完成后将所有已标记的对象统一回收

标记 - 清除算法的缺陷

1. 空间问题：我们不难发现上图清除垃圾之后，可分配的内存空间并不是连续的，这就是产生了“内存碎片问题”，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行中需要分配较大对象时，无法找到足够连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集
2. 效率问题：标记和清除这两个过程的效率都不高

4.2.标记 - 复制算法

能够解决内存碎片问题
"复制"算法是为了解决"标记-清理"的效率问题。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这块内存需要进行垃圾回收时，会将此区域还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内存区域一次清理掉。这样做的好处是每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不需要考虑内存碎片等复杂情况，只需要移动堆顶指针，按顺序分配即可。此算法实现简单，运行高效

标记 - 赋值算法的缺陷

1. 如果要保留的对象比较少，问题不大；如果要保留的对象很多，复制开销就比较大
2. 需要有足够的内存空间（可以一分为二），空间不够，也无法施展赋值操作

4.3.标记 - 整理算法

a) 没有内存碎片
b）空间不是很充裕的时候也能进行回收

标记 - 整理算法的缺陷

• 效率比较低：当对象比较多的时候，要频繁搬运

5.如何分类垃圾

实际上在进行垃圾回收分类的时候，会根据不同的场景来分别使用不同的垃圾回收算法，展示的垃圾回收器不是仅仅使用单一的回收算法，会根据不同的情况来进行综合运用

5.1.分代收集算法

如何进行分代回收：所谓的分代指的是年龄（单位不是时间），而是看这个对象能够躲过垃圾回收器标记未垃圾的次数，垃圾回收器会创建一些线程，移至堆程序中的对象进行标记（周期性，标记的过程为“可达性分析”）

某个对象在遍历之后是否被标记为垃圾，得取决于代码的具体逻辑：有的对象可能在代码中用完就丢掉了；有的在下一轮可达性分析的时候，就会立刻发现这个对象；有的对象在代码中用的比较持久；有的对象在几个“可达性分析”周期下来之后，都会发现这个对象还挺有用，就会保留下来。（比如：一般来说公司没半年或一年会进行绩效考核，当第一轮下来时候，其中有的员工会因为绩效太低而被裁员，而有的员工在几轮考核下来，绩效仍然是排在前面，那就说明这个人的能力很大，就会保留下来，同时，这个员工经历的“绩效考核”轮次越多，那么这个员工的资历就越老。）

对于分代收集算法：

• 如果一轮可达性分析下来，对象是有用的，那么年龄+1；
• 如果一轮可达性分析下来，对象是没有用的，就直接标记成垃圾准备回收；
  往往在一轮扫描下来的大部分对象都是垃圾，只有少数会留下来

堆上的区域的划分（GC角度）

JVM对象的一生：

1. 对象在创建的时候，出生在“新生代 的 伊甸区”
2. 大部分的对象都是“朝生夕死”，生命周期比较短，伊甸区中可能无时无刻都在诞生出很多新对象，但是这些对象都活不过一轮GC。
3. 如果伊甸区的对象活过了第一轮GC，就会被放到生存区（伊甸区到生产区，就是复制算法）
4. 生存区中的对象也要继续经历后续GC轮次的考验（两个生存区会来回进行GC）

• 如果生存区的对象没有活过后去的GC，也还是会被直接回收
• 如果下一次GC也货过去，仍然使用复制算法，把活下来的对象，拷贝到另外一个生存区中

5. 如果在生存去中，经历了若干次GC之后，仍然存活，那就把这个对象放到老年代
6. 当对象进入老年代之后，GC的考察频率就没有那么高了（经验认为，如果一个对象已经持续使用很久了，那么就会继续的持续下去）
   但是不乏有特殊对象可以直接进入老年代（就好比到一个亲戚公司入职）

垃圾回收过程中的一些术语：

1. Partical GC 只回收内存一部分区域

• 只针对新生代GC， Minor GC（比较频繁，速度比较快）
• 只针对老年代GC ，Major GC（没有那么频繁，速度比较慢）

2. Full GC 回收全部内存区域

可以理解为Full GC => Major GC + Minor GC

GC常见面试题

1. 引用计数
2. 可达性分析
3. 分代回收，新生代（伊甸区+生存区）+老年代
4. 一个对象的一生
5. 三种常见的回收算法